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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselkraftmaschine, mit mehreren Zylindern und mindestens einer Zufuhreinrichtung von einem Reduktionsmittel zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung, vorzugsweise einem SCR-Katalysator.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Dichtung, insbesondere zum Einsatz in einem Verteilerblock für Harnstoff,
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Zur Verbesserung der Abgaswerte einer Verbrennungskraftmaschine werden durch selektive katalytische Reduktion Stickstoffverbindungen im Abgas mit einem Reduktionsmittel zu unschädlichen Bestandteilen wie Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff in SCR-Katalysatoren reduziert. Als Reduktionsmittel wird häufig Ammoniak eingesetzt, der regelmäßig nicht direkt bevorratet, sondern in Form eines Reduktionsmittelvorläufers, der dann im Abgassystem und/oder in einer zwischengeschalteten Verdampfereinheit und/oder Hydrolyseeinheit zu dem eigentlichen Reduktionsmittel umgewandelt wird. Eine besonders häufig eingesetzte Reduktionsmittelvorläuferlösung ist Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung für diesen Zweck ist beispielsweise unter dem Handelsnamen AdBlue® erhältlich. Im Folgenden wird als Begriff für Reduktionsmittel und Reduktionsmittelvorläufer synonym „Harnstoff” verwendet.
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Nachteilig dabei ist, dass, bedingt durch die hohe Verdünnung des Harnstoffs in der Lösung, erhebliche Volumina gefördert werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Harnstofflösung bei –8°C gefriert und dabei eine Volumenzunahme in radialer und axialer Richtung von ca 10% erfährt und demnach für ausreichende Beheizung gesorgt werden muss, wenn die SCR-Katalyse auch bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden soll. Medienleitungen mit elektrischen Heizmitteln zur Fluidbeheizung sind bekannt; lediglich beispielhaft sei hier auf das Dokument
WO 2008/131993 A1 verwiesen. Durch die elektrischen Heizmittel der Fluidleitung und der endseitigen Leitungsverbinder wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen ein Einfrieren des jeweiligen Mediums vermieden, und/oder das gegebenenfalls bereits gefrorene Medium kann durch Wärmezufuhr aufgetaut werden.
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Das bringt bei den großen einzusetzenden Volumina einen erheblichen technischen und energetischen Aufwand mit sich, der sich auch in einer aufwändigen Verrohrung niederschlägt.
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Denn für die Bereitstellung des Reduktionsmittels ist regelmäßig ein Fördersystem im Kraftfahrzeug vorgesehen. Solche Fördersysteme umfassen einen Tank zur Bevorratung des Reduktionsmittels, Leitungen zur strömungstechnischen Verbindung des Tanks mit der Abgasbehandlungsvorrichtung, eine Pumpe zur Förderung des Reduktionsmittels, Filter zur Reinigung des Reduktionsmittels sowie Sensoren zur Überwachung des Betriebes des Fördersystems bzw. der Eigenschaften des Reduktionsmittels.
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Eine Vorgehensweise zur Vermeidung von Deformationen von Teilen des Reduktionsmittel-Einspritzsystems besteht darin, vorhandene Pumpen, Schläuche und Ventile nach dem Betrieb durch Belüften zu entleeren, so dass die Volumenausdehnung durch Einfrieren die jeweiliger Komponenten nicht beeinträchtigt. Der Belüftungsvorgang muss jedes Mal nach dem Abstellen des. Verbrennungsmotors durchgeführt werden und erfordert einen deutlichen Aufwand.
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Eine weitere Vorgehensweise besteht darin, die Volumenzunahme des sich beim Phasenübergang ausdehnenden Reduktionsmittels durch elastische Bauelemente auszugleichen. So beschreibt die Anmeldung
DE 100 58 015 das Vorsehen einer Membran, die an ein gasgefülltes Volumen angrenzt, wobei die Membran die Volumenzunahme auffangen kann. Alle vorgenannten Maßnahmen zur Vermeidung von Problemen bei der von SCR Katalysatoren bedürfen einen hohen technischen Aufwand.
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Es besteht somit ein dringendes Bedürfnis, die Zuführung von Reduktionsmittel zu einem Verbrennungsmotor und die dafür notwendige Verrohrung einfacher zu gestalten. Auch ältere Verbrennungskraftmaschinen sollen leichter mit derartigen Abgasbehandlungsanlagen nachgerüstet werden können. Die Teilevielfalt bei vorhandenen Motorbaureihen soll gleichzeitig verringert werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und/oder des Patentanspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselkraftmaschine mit einer Verrohrung zur Zufuhr von einem Reduktionsmittel zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere einem SCR-Katalysator, wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass mindestens ein Teil der Verrohung für die Zufuhr des Reduktionsmittel zur Abgasbehandlungsvorrichtung durch Bohrungen in einem Verteilerblock ausgebildet ist. Die Verschaltung der einzelnen Leitungswege und den darin angeordneten Komponenten lässt sich vorteilhaft raumsparend durch Bohrungen in einem Block verwirklichen. Allerdings ergeben sich besondere Probleme bei einem Phasenwechsel des durchfließenden Mediums, weil sich in den Leitungsweg aufgrund der geringeren Elastizität eines Verteilerblocks im Verhältnis zu Schläuchen und Rohren im inneren ein Eisdruck aufbauen kann, der im schlimmsten Fall auch zu Rissen im Verteilerblock führt. Es sind folglich Maßnahmen zu treffen, damit derartige Schäden im Betrieb verhindert werden.
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Durch den quaderförmigen Aufbau eines Verteilerblocks können mit Vorteil mehrere Verteilerblöcke zu einer Baueinheit zusammengefasst werden. Die Zahl der Verteilerblöcke, die eine Baueinheit bilden, kann variieren mit der Anzahl Zylinder des Motors. Zu diesem Zweck wird ein Verteilerblock jeweils einem oder einer Gruppe von Zylindern zugeordnet. Auf diese Weise kann die Kapazität der Harnstoffzufuhr leichter an Leistung von Motoren einer Baureihe angepasst werden. Eine Skalierung ist auf einfache Weise möglich. Die Teilevielfalt wird vorteilhaft verringert.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der mindestens eine Verteilerblock eine Bohrung für eine Hauptleitung für Kühlwasser und/oder Harnstoff und/oder Pumpen und/oder Ventile und/oder Sensoren und/oder Filter aufweist. Dadurch entfallen getrennte Gehäuse und Befestigungselemente für die verschiedenen Funktionsteile der Harnstoffzufuhr.
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Die Aneinanderreihung der Verteilerblöcke wird dadurch ermöglicht, dass mindestens zwei Verteilerblöcke gegenüberliegende parallele Anschlussebenen mit sich deckendem Bild von Bohrungen aufweisen. Werden zwei oder mehrere Verteilerblöcke zu einer Baueinheit zusammengefasst, so fügen sich die Durchgangsbohrungen jedes Verteilerblocks zu einer durchgehenden fluchtenden Leitung in der Baueinheit zusammen. Die sich so ergebende Leitung dient dann als Verteiler- oder Sammelleitung für Medien.
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Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass der Verteilerblock von mindestens einer senkrecht zur Anschlussebene gerichteten Durchgangsbohrung als Leitungsweg für Harnstoff durchdrungen ist.
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Die Maßnahme, dass in die Oberfläche mindestens einer Anschlussebene mindestens eine Dichtungsnut eingetieft ist zur Aufnahme eines Ringsdichtungsprofils, dient der Verhinderung von Leckagen.
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Probleme beim Phasenwechsel des durch fließenden Mediums werden dadurch verhindert, dass der Verteilerblock im Leitungsweg des Harnstoffs mindestens eine Ausgleichsvolumen aufweist. In dieses Ausgleichsvolumen kann der Harnstoff ausweichen und den infolge der Eisbildung entstehenden Eisdruck abbauen.
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Dazu dient auch die Maßnahme, dass im Ausgleichsvolumen ein Kompressionskörper vorgesehen ist. Die Volumenzunahme des Harnstoffs beim Phasenwechsel wird vom Kompressionskörper aufgenommen. Dieser besteht aus einem offenzelligen Elastomer mit geschlossener Oberfläche und mit entsprechender chemischen Beständigkeit und Elastizität. Besonders bewährt haben sich Elastomere, insbesondere Polyurethanschaum mit einer Hüllschicht aus hydrierten Nitrilbutadienkautschuk oder PTFE Polytetrafluoräthylen.
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Mit Vorteil werden zusätzliche Montageoperationen vermieden, wenn der Kompressionskörper eine Dichtungsfunktion erfüllend ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass die Dichtung zwischen zwei Verteilerblöcken als Kompressionskörper, insbesondere als Hülse mit Kragen, ausgebildet ist. Die Dichtung übernimmt somit zwei Funktionen in einem Teil, was die Teilevielfalt verringert. Außerdem ermöglicht sie den Einsatz von Verteilerblöcken bei der Zufuhr von Harnstoff zu Abgasbehandlungsvorrichtungen.
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Wenn im Bereich der Hülse eine Umfangsöffnung vorgesehen ist, wobei die Umgangsöffnung sich in axialer Richtung der Hülse länger erstreckt als quer dazu, können auch Leitungen aus dem Ausgleichsvolumen abzweigen. Diese Dimensionierung verhindert, dass infolge von Formtoleranzen oder Temperatur unterschieden der Querschnitt von abzweigenden Leitungen verengt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtung ein Formelement zum formschlüssigen Eingriff in ein korrespondierendes Formelement einer Bohrung aufweist, was zur Fixierung der Winkellage zur Achse dient.
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Eine vorteilhaft einfache Möglichkeit zur Vermeidung einer falschen Dichtungsmontage liegt darin, wenn das Formelement als Lasche am Kragen der Dichtung ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Kragen der Dichtung als Dichtprofil ausgebildet ist. Der Kragen muss nicht endständig an der Hülse angeformt sein, sondern kann auch an anderer Stelle auf dem Umfang vorgesehen werden, so dass über den Kragen hinaus noch ein Hülsenende hinaus ragt. Dieses kann dann von der Durchgangsbohrung eines benachbarten Verteilerblock aufgenommen werden.
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Mit Vorteil wird der Kompressionskörper aus einem offenzelligen Nitrilbutadien-Kautschuk mit geschlossener Oberfläche oder Polyurethan(PUR)-Kautschuk geformt.
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Wenn der Kompressionskörper eine äußere Schicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweist, erhöht sich seine Standzeit vorteilhaft.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand einer Zeichnung erläutert.
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Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Gruppe von Verteilerblöcken,
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2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Dichtung zur Verwendung in einem Verteilerblock gemäß 1,
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3 einen Schnitt durch die in 2 dargestellte Dichtung gemäß Schnittlinie B-B,
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4 einen Axialschnitt durch den Kragen der in 2 dargestellten Dichtung,
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5 eine Aufsicht auf den Kragen der in 2 dargestellten Dichtung und
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6 einen Axialschnitt der erfindungsgemäßen Dichtung eingebaut in einem Verteilerblock.
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In 1 ist in schematisch eine Gruppe von Verteilerblöcken 1 für Harnstoff perspektivisch dargestellt. Mehrere dieser Verteilerblöcke 1, insgesamt 4, sind in 1 zu dieser Gruppe 21 zusammengefasst. Jeder dieser Verteilerblöcke 1, dient der Zufuhr von Harnstoff zum Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Jeder dieser einzelnen Blöcke 1 wird von Durchgangsbohrungen 6 durchsetzt. Diese Durchgangsbohrungen bilden ein Lochbild 4. Die Durchgangsbohrungen dieses Bohrbildes liegen jeweils hintereinander gereiht in einer Flucht auf einer Achse. Hintereinander gereiht bilden sie somit eine Leitung 22 für den Harnstoffvorlauf, eine Leitung 23 für den Harnstoffrücklauf und eine Leitung 24 für Kühlwasser. Desweiteren sind Austrittsöffnungen 25 vorgesehen, die mit der Leitung 22 des Harnstoffsvorlauf kommunizieren und aus denen der Harnstoff zu der oder den nicht dargestellten Einspritzdüsen fließt. Darüber hinaus sind Eintrittsöffnungen 26 vorgesehen, die mit der Leitung 23 des Harnstoffrücklaufs kommunizieren.
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In den Verteilerblöcken 1 können weitere Bohrungen vorgesehen werden, die zur Aufnahme von Filter, Pumpen, Sensoren, Heizmedien et cetera dienen. Der Übersichtlichkeit wegen sind in 1 diese nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt sind die beiderseitigen Abschluss- oder Endblöcke zu Verteilerblöcken 1, die mit weiteren Anschlussarmaturen und Blindstopfen versehen sein können.
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Die einzelnen Verteilerblöcke 1 weisen jeweils zwei sich gegenüberliegende Anschlussflächen 5 auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind und sich deckende Lochbilder 4 aufweisen. In den jeweiligen zur Anlage kommenden Oberflächen 7 der Verteilerblöcke 1 können in der Umgebung der Bohrungen 6 Dichtungsnuten 8 zur Aufnahme eines Ringdichtungsprofils 9 (2) eingetieft sein.
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Exemplarisch ist in 1 die Dichtung 12 mit ihrem Formelement 16 gezeigt,. Das Formelement 16 greift in ein korrespondierendes Formelement 17, das in die Oberfläche 7 ebenfalls eingetieft ist, so dass ein Formschluss dieser beiden Elemente 16 und 17 gegeben ist. Ein Verdrehen der Dichtung 12 in der Bohrung 6 der Leitung 22 für den Harnstoffvorlauf wird somit sicher verhindert.
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Durch nicht dargestellte Befestigungselemente werden die einzelnen Verteilerblöcke miteinander in geeigneter Weise zu einer Baueinheit als Gruppe 21 zusammengefügt.
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Das Dichtelement 12 ist in der in 2 dargestellten Seitenansicht besser erkennbar. Es besteht im Wesentlichen aus einer Hülse 13, an die an ihrem Ende ein Kragen 14 an geformt ist. Dieser Kragen 14 ist als ein umlaufendes Ringdichtungsprofil geformt. Die Länge L der Hülse 13 beträgt zwischen dem fünf- und dem fünfzehnfachen des Hülsendurchmessers D. Dieser beträgt wiederum das zwei- bis fünffache der Hülsenwandstärke S. Außerdem wird der Umfang der Hülse 13 von einer Umfangsöffnung 15 durchsetzt. Diese Öffnung dient dazu, den Harnstoff in Leitung 25 fließen zu lassen oder den Zufluss aus anderen Leitungen zu ermöglichen. Die Umfangsöffnung 15 weist in Umfangsrichtung 27 eine kleinere Abmessung auf als in axialer Richtung 28.
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Da die Lage dieser Umfangsöffnung mit den im Verteilerblock 1 vorgesehenen Bohrungen 25, 26 korrespondieren muss, ist zusätzlich am Kragen 14 ein Formelement 16 angeformt, das in ein korrespondierendes Formelement 17 (1) eingreift und somit verhindert, dass die Dichtung 12 in falscher axialer Winkellage eingebaut werden kann.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Dichtung 12 in Höhe der Schnittlinie B-B in 2. Der Schnitt ist somit mittig durch die Umfangsöffnung 15 geführt. Daraus ist erkennbar, dass es sich um keine Durchgangsbohrung handelt. Ein sich in der abzweigenden Bohrung aufbauender Eisdruck in folge eines Phasenwechsels des Durchflussmediums kann sich somit gegen die innere Fläche der Hülse 13 abstützen. Die Volumenausdehnung wird von der Wandlung der Hülle 13 aufgenommen.
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4 zeigt einen Axialschnitt durch das kragenseitige Ende der Dichtung 12 entsprechend der Schnittlinie A-A in 5. Das Ringdichtungsprofil 9 ist als Kragen an die Hülse 13 angeformt. Der Radius R entspricht dem der üblichen genormten Ringdichtungen. Am Kragen 14 ist zusätzlich zur Fixierung der Winkellage in Bezug auf die Achse 18 ein Formelement 16 angeformt, dass in ein korrespondierendes Formelement 17 des Verteilerblocks 1 (1) eingreift. Die Stirnfläche 28 der Hülse 13 ist gegenüber der Oberfläche 29 des Dichtungsprofils 9 etwas zurückgesetzt, damit eine eindeutige Anlage des Ringdichtungsprofils an die Oberfläche 7 des angrenzenden Ventilblocks gewährleistet ist.
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5 zeigt eine Aufsicht auf den an die Hülse 13 an geformten Kragen 14 mit seinem Ringdichtungsprofil 9, an das das Formelement 16 als Lasche 18 an geformt ist.
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Schließlich ist in 6 die Einbaulage der Dichtung 12 mit Hülse 13 im Verteilerblock 1 als Axialschnitt dargestellt. Als Alternative zu der in den 2 bis 5 dargestellten Dichtung 12 ist in dieser Darstellung der Kragen 14 mit Dichtungsprofil 9 nicht endständig an der Hülse 13 sondern auf dem Umfang der Hülse 13 an geformt, so dass ein Hülsenende 30 über die aneinanderstoßenden Oberflächen 7 der Ventilblöcke 1 hinaus ragt. Dadurch ist eine vollständige Auskleidung der Durchgangsbohrung 6 mit Hülse 13 als Kompressionskörper 11 gewährleistet. Die über die hydraulische Notwendigkeit hinausgehende Erweiterung der Durchgangsbohrung 6 dient somit als Ausgleichsvolumen 10, das bei Phasenwechsel des durchfließenden Mediums einen in sich aufbauenden Eisdruck aufzunehmen im Stande ist. Außerdem ist eine Abzweigbohrung 31 erkennbar. Durch diese abzweigenden Bohrung 31 wird der Harnstoff aus Leitung 22 durch die Umfangsöffnung 15 der Hülse 13 zu den Austrittsöffnungen 25 des Harnstoffvorlaufs geleitet (1).
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Während wenigstens eine exemplarische Ausführungsform in der oben angegebenen Zusammenfassung und der vorangehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt worden ist, sollte verstanden und festgehalten werden, dass eine große Anzahl von Variationen bzw. Modifikationen dazu existieren. Es sollte auch festgehalten werden, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang (bzw. Schutzumfang), die Anwendbarkeit oder den Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung in irgendeiner Weise zu begrenzen. Vielmehr geben die Zusammenfassung und die ausführliche Beschreibung dem Fachmann eine hinreichende und leicht verständliche Anweisung zur Implementierung von wenigsten einer exemplarischen Ausführungsform. Dabei sollte verstanden werden, dass vielfältige und verschiedenartige Änderungen dieser Ausführungsform bezüglich der Funktion und der Anordnung der in einer exemplarischen Ausführungsform beschriebenen Elemente ausgeführt werden können, ohne von dem durch die beigefügten Patentansprüche und deren gesetzlichen Äquivalente definierten Umfang (bzw. Schutzumfang) abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/131993 A1 [0004]
- DE 10058015 [0008]
